基因“开关”控制植物细胞器演化速度
文章导读
想象一下：能否像调节灯光开关那样控制植物进化速度？中国科学家首次发现线粒体基因组的"变速按钮"！通过对拟南芥150份样本的突破性研究，团队揭开了细胞器演化之谜——线粒体竟能以远超叶绿体的速度重构自身结构，其重复片段驱动的重组快得让传统分析方法失效。更关键的是，他们精准锁定核基因MSH1：人为调控其功能即可驱动线粒体主要构型的快速切换，如同掌控进化加速器。这项登上《基因组生物学》的研究不仅破解了植物适应性进化的核心密码，更为人类定向改写作物进化规则、解锁新型遗传资源提供了革命性工具。
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近日，中国农业科学院农业基因组研究所绿色轻简超级稻遗传解析与分子育种创新团队首次揭示了细胞器基因组的动态演化模式，绘制了线粒体和叶绿体基因组的精细图谱，并证实了通过突变与恢复MSH1基因的功能可以驱动线粒体基因组主要构型的快速演化，为开发利用细胞器遗传资源提供理论支撑。相关研究成果发表在《基因组生物学（Genome Biology）》上。
遗传变异是自然选择和适应性进化的基础。在植物中，遗传物质不仅存在于细胞核中，还分布于两个半自主的细胞器，分别是线粒体和质体（主要是叶绿体）中。揭示细胞器基因组的演化动态对于理解植物适应与进化中的分子机制具有重要价值。
该研究通过分析拟南芥近150份样本的细胞器基因组发现，线粒体和叶绿体的结构变异存在相似规律，但演化速度差异显著。线粒体基因组中重复片段驱动的重组发生极快，导致其结构变化与其他变异类型“脱节”，甚至形成难以用传统方法在不同物种间比对的复杂结构。此外，研究还发现了罕见的大型重复序列扩张与融合事件。研究人员进一步证明，通过扰乱和恢复一个核编码基因MSH1，可以产生线粒体基因组的不同结构版本，而叶绿体基因组的结构在此过程中则表现出较强的稳定性。因此推测，细胞器DNA的自我修复机制可能推动细胞器基因组的快速演化。该研究为利用植物细胞器基因资源、改良作物特性提供了重要理论基础。
该研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的支持。（通讯员 马昕怡）
原文链接：https://doi.org/10.1186/s13059-025-03717-0
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